[0041] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0042] 如图3和图4所示，本发明提供了一种基于双飞轮的挖掘机动臂串联式混合动力系统，包括原动机6、油箱5、第一液压泵101、第一单向阀201、主换向阀3、动臂液压缸4、挖掘机的操纵手柄、第一液压马达701、第四单向阀204、单向离合器10、第一变速器1701、第一离合器901、第一飞轮801、第二离合器902、第二变速器1702、第二液压泵102、第三单向阀203、第二液压马达702、第三离合器903、第二飞轮802、第四离合器904、第三变速器1703、第二齿轮1102、第一齿轮1101、转速传感器A20、转速传感器B21和控制器；
[0043] 动臂液压缸4为单出杆式活塞缸，用于控制动臂的升降和停止动作；
[0044] 油箱5用于存储系统所需的油液；第一液压泵101在所述原动机6的驱动下，其S口与所述油箱5连接，P口排出高压油液，从而将所述原动机6提供的机械能转化为油液的压力能；
[0045] 作为一种优选，原动机6为柴油机；所述原动机6的输出轴与第一液压泵101的传动轴连接，第一液压泵101的S口和P口分别与油箱5和第一单向阀201的A口连接，第一单向阀201的B口分别与第一液压马达701的P口和第四单向阀204的B口连接，第一液压马达701的T口和第四单向阀204的A口均与油箱5连接；
[0046] 第一液压马达701的传动轴通过单向离合器10与第一变速器1701的输入轴连接，所述单向离合器10的作用是允许所述第一液压马达701输出的机械能传递给所述第一离合器 901，而不允许相同方向时能量的反向传递；第一变速器1701的输出轴通过第一离合器901 与第一飞轮801一端的传动轴连接，第一飞轮801另一端的传动轴通过第二离合器902与第二变速器1702的输入轴连接，第二变速器1702的输出轴与第二液压泵102的传动轴连接；
[0047] 第二液压泵102S口和P口分别与油箱5和主换向阀3的P口连接，主换向阀3的A口和B口分别与动臂液压缸4的有杆腔和无杆腔连接，主换向阀3的T口分别与第三单向阀203的B口和第二液压马达702的P口连接，第三单向阀203的A口和第二液压马达702的 T口均与油箱5连接；
[0048] 第二液压马达702的传动轴通过第三离合器903与第二飞轮802一端的传动轴连接，第二飞轮802另一端的传动轴通过第四离合器904与第三变速器1703的输入轴连接，第三变速器1703的输出轴上固定套装有第二齿轮1102；
[0049] 第一飞轮801和第二飞轮802均具有2个传动轴，具有一定的转动惯量，可以以动能的形式存储一定的能量，作为一种优选，第二飞轮802能够存储的能量少于所述第一飞轮 801能够存储的能量；第一离合器901和第二离合器902，均可以接受外界控制信号，进而实现相应传动机构的连接和断开。
[0050] 第一齿轮1101固定套装在单向离合器10和第一变速器1701之间轴上，并与第二齿轮 1102啮合；
[0051] 所述转速传感器A20贴近第一飞轮801地设置，用于检测第一飞轮801的转速信号A，并将转速信号A实时发送给控制器；
[0052] 所述转速传感器B21贴近第二飞轮802地设置，用于检测第二飞轮802的转速信号B，并将转速信号B实时发送给控制器；
[0053] 所述操纵手柄上设置有与其内部处理器连接的多个手动按钮，分别用于根据操作人员的控制分别发出启动信号、动臂下放电信号、动臂提升电信号和能量转移电信号；
[0054] 作为一种优选，所述控制器为PLC控制器；控制器分别与原动机6、第一离合器901、第二离合器902、第三离合器903、第四离合器904、第一液压泵101、第二液压泵102、第一液压马达701、第二液压马达702、主换向阀3、第一变速器1701、第二变速器1702、第三变速器1703、转速传感器A20、转速传感器B21和挖掘机的操纵手柄连接；
[0055] 所述控制器用于在接收到启动信号后启动原动机6，控制第一离合器901得电吸合，并控制第一液压泵101的排量逐渐变大；用于根据接收到的转速信号A来获得第一飞轮801的转速A，并在转速A达到设定最大值时控制原动机6停止工作，控制第一离合器901断电，控制第一液压泵101的排量为零，在转速A小于设定最小值时控制原动机6启动，控制第一离合器901得电吸合，并控制第一液压泵101的排量逐渐变大；用于在接收到动臂提升电信号后控制主换向阀3的电磁铁Y1a得电，控制第二离合器902得电吸合，控制第二液压泵
102的排量逐渐变大；用于在接收到动臂下放电信号后控制主换向阀3的电磁铁Y1b 得电，控制第二离合器902和第三离合器903得电吸合；用于在收到能量转移电信号后控制第四离合器904和第一离合器901得电；用于根据接收到的转速信号B来获得第二飞轮 802的转速B，并在转速B达到设定最大值时控制第三离合器903断电，并在转速B小于设定最小值时控制第四离合器904和第一离合器901断电。
[0056] 作为一种优选，所述主换向阀3为三位四通电磁换向阀，当主换向阀3的电磁铁Y1a 得电时，其工作在右位，其P口与B口连通，A口与T口连通；当主换向阀3的电磁铁Y1b 得电时，其工作在左位，其P口与A口连通，B口与T口连通；当主换向阀3的电磁铁均不得电时，其P口、A口、B口与T口互不连通。当然，主换向阀3也可以是液控等方式的换向阀，用于控制所述动臂液压缸4的伸出、缩回和停止动作。
[0057] 作为一种优选，所述第二液压泵102为电比例变量泵。其可以根据控制信号调整自身的排量；
[0058] 作为一种优选，所述第一变速器1701、第二变速器1702和第三变速器1703为无级变速传动装置或有级变速传动装置或固定传动比的传动装置。第一变速器1701、第二变速器 1702和第三变速器1703均可以受控制信号控制调节自身的传动比。
[0059] 工作原理：
[0060] 图1为现有挖掘机中动臂100、转台200和动臂液压缸4的装配结构示意图，其中动臂 100的端部铰接在转台200上，动臂液压缸4的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸44的活塞杆做伸缩运动时，即可带动动臂100 做提升和下放动作。
[0061] 图2是现有技术中挖掘机动臂液压系统的简化原理图。1为液压泵，可以将原动机6的机械能转化为油液的压力能，为系统提供高压油液。第一单向阀201保证油源提供的高压油液只能单向流至主换向阀3。图2中所示的主换向阀3是三位四通电磁换向阀，在实际的液压系统中，该阀可能是三位四通阀，也可能是三位六通阀。主换向阀3的换向方式可能是电控的，也可能是液控等方式。当主换向阀3的电磁铁Y1a得电时，主换向阀3工作在右位，液压泵1提供的油液经主换向阀3的P口至B口进入动臂液压缸4的无杆腔，其有杆腔的油液经主换向阀3的A口至T口流回油箱5。动臂液压缸4的活塞杆伸出，对应图1 中动臂提升动作。当电磁铁Y1b得电时，主换向阀3工作在左位，液压泵1提供的油液经主换向阀3的P口至A口进入动臂液压缸4的有杆腔，其无杆腔的油液经主换向阀3的B 口至T口流回油箱5。动臂液压缸4的活塞杆缩回，对应图1中动臂下落动作。因为此时动臂液压缸4的活塞杆作用有动臂100等负载，所以动臂液压缸4的无杆腔的压力很大。当无杆腔流出的油液经过主换向阀3的阀口时，这些压力能就消耗在阀口上，从而产生了很多的热量。
[0062] 结合图3，对本发明的工作原理做进一步的说明。
[0063] 1.1系统待机时
[0064] 设备初始条件下，第一飞轮801是静止的，没有存储能量。结合图3，操作人员通过操纵手柄发出启动信号给控制器后，控制器(未画出)启动原动机6后，并控制第一离合器 901得电吸合，并逐渐调大第一液压泵101的排量。液压泵101在原动机6的驱动下从S口吸入油液，P口排出高压油液。第一液压泵101排出的油液经第一单向阀201的A口至B口，进入第一液压马达701的P口，然后由第一液压马达701的T口流回油箱5。第一液压马达 701输出旋转的机械能，经单向离合器10、第一变速器1701和第一离合器901驱动第一飞轮801加速旋转。通过合理控制第一液压马达701的排量和第一变速器1701的传动比，可以实现第一 飞轮801的持续加速。总体而言，原动机6为第一飞轮801储能，其机械能转化成第一飞轮801的机械能。能量传递情况如图5所示。
[0065] 当转速传感器A20测得第一飞轮801达到最高转速时，即达到设定最大值时，第一飞轮801储能完毕，控制器使第一离合器901断开连接，同时使第一液压泵101的排量调整至零排量，关闭原动机6，以减少原动机6的能量消耗。第一飞轮801进入待命状态。
[0066] 在任意情况下，若第一飞轮801的转速降低到某个设定最小值时，系统重复上述过程，控制原动机6为第一飞轮801储能。
[0067] 1.2动臂提升过程
[0068] 结合图3，在需要动臂100提升时，操作人员通过操纵手柄上对应的按钮发出对应的动臂提升电信号给控制器，控制器收到动臂提升电信号后，控制主换向阀3的电磁铁Y1a得电，使第二离合器902吸合。同时，控制器控制第二液压泵102的摆角逐渐变大至指令要求的位置。根据第一飞轮801的旋转速度和第二液压泵102的排量，即可计算出第二液压泵102的流量，这与动臂液压缸4的运动速度成正比。第一飞轮801通过第二离合器902 和第二变速器1702驱动第二液压泵102工作。第二液压泵102的S口从油箱5吸入油液，并由排油口P口排出高压油液，实现将第一飞轮801的机械能转化成油液的压力能。第二液压泵102排出的油液经主换向阀3的P口至B口，进入动臂液压缸4的无杆腔，其有杆腔的油液经主换向阀3的A口至T口流回油箱55。动臂液压缸4的活塞杆伸出，对应图1 中动臂100提升动作。
[0069] 随着能量的消耗，第一飞轮801的速度会逐渐下降。当第一飞轮801的转速降低到某个设定最小值时，控制器控制第一离合器901吸合，原动机6为第一飞轮801充能。原动机6驱动第一液压泵101工作，第一液压泵101排出的油液经第一单向阀201进入第一液压马达701的P口，然后由第一液压马达701的T口流回油箱5。第一液压马达701输出旋转的机械能，经单向离合器10、第一变速器1701、第一离合器901驱动第一飞轮801加速旋转。具体的能量传递示意图如图6所示。
[0070] 1.3动臂下放过程(动臂势能回收)：
[0071] 结合图3，在需要动臂100下放时，操作人员通过操纵手柄上的对应按钮发出动臂下放电信号给控制器，控制器(未画出)收到动臂下放电信号后控制主换向阀3的电磁铁Y1b 得电，控制第二离合器902和第三离合器903得电吸合。同时，控制器(未画出)控制第二液压泵102和第二液压马达702的摆角。由于动臂液压缸4上作用有动臂100等负载，动臂100可以自行下放，理想情况下动臂液压缸4的有杆腔内压力很低。因此，虽然第二液压泵102驱动第一飞轮801工作，但是实际消耗的能量很少。高压油液流出后经主换向阀3的B口至T口，流入第二液压马达702的P口，低压油液经其T口流回油箱5。此时第二液压马达702输出机械能，经第三离合器903驱动第二飞轮802加速旋转，控制器通过转速传感器B21检测到第二飞轮802的转速达到设定最大值时，控制第三离合器903断电。因此，动臂势能转化成第二飞轮
802的机械能。具体的能量传递示意图如图8所示。控制器通过合理控制第二液压马达702的排量，可以产生适当的压力，实现对动臂下落速度的控制。
[0072] 动臂下放过程中，油箱5内的油液可以经第二单向阀202对动臂液压缸4的有杆腔进行补油，防止吸空。
[0073] 动臂下放过程中的能量回收部分的能量传递示意图如图7所示。
[0074] 1.4回收能量的转移
[0075] 在需要进行能量转移时，操作人员通过操纵手柄上的对应按钮发出能量转移电信号给控制器，控制器(未画出)收到能量转移电信号后控制第四离合器904和第一离合器901 得电，同时调整第三变速器1703和第一变速器1701(如果需要)的传动比。储存在第二飞轮802内的能量，经第四离合器904、第三变速器1703、第二齿轮1102、第一齿轮1101、单向离合器10、第一变速器1701、第一离合器901，最终传递给第一飞轮801。在此过程中，控制器不断调整第三变速器1703和第一变速器1701的传动比，即可实现能量的转移。当第二飞轮802的转速降低至某个设定最小值后，说明第二飞轮802内已经无可利用的能量，控制器断开第四离合器904和第一离合器901(如果需要)的连接即可，比如可以控制第四离合器904和第一离合器901断电。具体的能量传递如图8所示。如果原动机66与第二飞轮802802同时为第一飞轮801801补充能量，其能量传递情况如图9所示。
[0076] 由以上的原理可知，原动机6的能量要先经液压系统(主要是第一液压泵101和第一液压马达701)转化成第一飞轮801的机械能。动臂100需要能量时，第一飞轮801的机械能通过第二液压泵102和动臂液压缸4驱动动臂100工作。这样的设计，实现了负载(动臂)与原动机6进行了分离，原动机6的工作效率不再受负载的直接影响。因此，原动机6 可以尽可能的工作在高效率区域，提高了工作效率。第一飞轮801作为储能元件，在原动机6功率大于系统需要时，可以存储一定的能量；在原动机6功率小于系统需要时，释放能量辅助原动机6驱动负载，起到了削峰填谷的作用。因此，设计时不用根据系统的峰值功率选用原动机6的型号，可以根据系统一个或若干个周期内的平均功率大小，选用较小型号的原动机6，可以减少设备的体积和质量，还可以提高系统的效率。
[0077] 本系统设置了第二液压马达702和第二飞轮802，可以在动臂下放时回收动臂的势能，并传递给第一飞轮801，在动臂提升的时候进行能量的再利用，减少了系统的能量浪费，进一步减少了对原动机6的装机功率需求，可以进一步提高系统的能量利用效率。
[0078] 在图3所示的原理图中，为了提高第一飞轮801的转速，以提高系统的能量存储密度，在所述的单向离合器10和第一离合器901之间设置了第一变速器1701。与之类似，在能量再利用传动链上，为了使增速后的第一飞轮801和第二液压泵102的速度匹配，在第二离合器902和第二液压泵102之间设置了第二变速器1702。所述的第一和第二变速器可以为无级变速传动装置。作为一种简化，也可以使用有级或固定传动比的传动装置。但是，这样会降低系统的能量回收和再利用效率。进一步，如果第一飞轮801的转速较低，可以省略第一变速器1701和第二变速器1702，以降低成本。但是这样会造成设备的体积和质量增大。同理，这也适用于第二飞轮802及相关的传动装置。
